HMI + Historian: интеграция для оптимизации
Часть 1. Интеграция HMI с репозиторием исторических данных

Человеко-машинные интерфейсы (Human-Machine Interface, HMI) и репозитории, содержащие хронологизированную информацию (Historian — база данных особого типа), имеют разное предназначение: HMI обеспечивают эффективный контроль и взаимодействие между персоналом и машинами, а в репозитории в высокоскоростном режиме собираются данные о последовательных временных событиях с сохранением хронологии. Их интеграция предоставляет компаниям большие возможности для оптимизации деятельности.

Подключение к данным

Чтобы получать данные в режиме реального времени, HMI обычно подключены к логическим программируемым контроллерам (Programmable Logic Controller, PLC или ПЛК). Репозитории хранения исторических данных, как правило, можно подключить к HMI или непосредственно к ПЛК с помощью OPC-серверов (OLE1 for Process Control — семейство программных технологий, предоставляющих единый интерфейс для управления объектами автоматизации и технологическими процессами). Иногда пользователи хотят, чтобы они были подключены к HMI, потому что значения для определенных тэгов рассчитываются именно в нем. Однако предпочтительным является вариант, когда репозиторий подключается непосредственно к ПЛК или к источнику данных. Репозиторий содержит полную хронологию событий процесса, необходимую для последующего анализа, а экраны HMI, как правило, обновляются с каждым новым выводом отображаемых данных и графиков, они могут быть временно выключены или перезагружаться. Таким образом, если репозиторий подключен к HMI, то могут иметь место пропуски данных в тех результатах, которые были выведены на экраны позже. При подключении репозитория к ПЛК информация накапливается независимо от того, работает интерфейс или нет. Хорошо сконструированные репозитории также могут включать в себя возможность хранения и распространения данных в компонентах «регистратор/коллектор» и должны быть расположены на той же машине, но уже в качестве источника. Это предотвращает потерю данных, если произошла авария на сетевых соединениях между компьютерами или в случае обновления программного обеспечения.

В соответствии с сегодняшними возможностями и стандартами компьютерных технологий, типичная система репозитория хранения исторических данных должна быть в состоянии хранить и обеспечивать доступ к объему исходных данных за не менее чем десятилетний период времени. Эта «сборка» в одно целое производственных больших данных (big data) весьма полезна для целей отчетности; репозитории хранения исторических данных должны иметь возможность обеспечивать доступ к этим данным, и при этом они не должны сохраняться в виде агрегатов. Для качественного анализа необходимы именно потоки неструктурированных данных. Хорошо спроектированный репозиторий допускает до 1 млн обновлений в секунду при сохранении данных, если получает в то же самое время более 3 млн обновлений в секунду. Такие параметры сохранения информации являются вполне приемлемыми для пользователей.

Простота доступа и преимущества репозитория хранения исторических данных

Для извлечения и использования исторических данных пользователи нуждаются в интуитивно понятных инструментах, легко доступных и не требующих длительного обучения. Исторические данные могут быть доступны для операторов в пределах HMI непосредственно через клиентские приложения, которые используют элементы управления Microsoft ActiveX или, что более предпочтительно, приложения Microsoft.NET. Когда операторы и инженеры видят, как различные значения изменялись с течением времени и как изменялись технологические установки, они могут через систему идентифицировать причины отклонений, определить проблемы и быстрее принять нужные решения.

Именно объем информации способствует более быстрому принятию решений. И здесь ключевым моментом является простота доступа к данным. Пользователь, задумавшийся над вопросом «а что, если?», может извлечь совокупность нужных данных, чтобы немедленно проверить правильность своей гипотезы. Если же анализ на практике не осуществляется в режиме реального времени, то это будет невозможно.

Преимущества интеграции HMI и репозитория на реальных примерах

Рис. 1. В режиме реального времени исторические данные могут быть отображены в приложениях на смартфоне

Преимущества интеграции HMI с репозиторием ощутили на себе многие руководители предприятий США. Примеры реализации таких приложений показаны на рис. 1 и 2.

Поиск и устранение неисправностей с использованием исторических данных

Система HMI указала на высокую температуру основного подшипника турбины на гидроэлектростанции. Стандартный подход в этом случае заключается в переводе блока в автономный режим, его проверке, измерении допусков, замене масла и фильтров и последующем перезапуске в режиме тестирования. Анализ непрерывных данных о температуре подшипников за более чем семь лет показал, что не было ни одного случая, когда такое постепенное увеличение температуры указывало бы на нарастающий сбой в работе турбины. После сравнения нескольких тенденций было установлено, что причиной такого сбоя может быть вентилятор охлаждения масла для данного подшипника. Исследование показало наличие нагара и коррозии на контактах. На оценку ситуации с использованием коррекции было потрачено менее одного часа, и при этом не потребовалось выводить из эксплуатации турбину гидроэлектростанции. Экономия только в данном случае составила $20 тыс.

Анализ и исследования

Рис. 2. Программное обеспечение AxiomView компании Canary Labs на примере оборудования для очистки воды

Одно электрическое кооперативное общество искало способ определения избыточного количества воды, которое перетекает через гребень надувной резиновой плотины и без пользы уходит вниз по течению. Это было необходимо для снижения цен на электроэнергию в обслуживаемом им сообществе: избыток воды мог бы дать возможности увеличения ее продаж за счет увеличения более выгодной льготной тарифной ставки и разницы с ее фиксированной стоимостью. Было установлено, что в репозитории хранятся все необходимые для рассмотрения тэги данных в виде истории их изменения за четыре года. Эти результаты были собраны в течение одного человеко-дня, а приблизительная стоимость такого исследования составила всего $1 тыс. При этом ориентировочная стоимость контракта инженера-гидротехника, необходимого, чтобы выполнить теоретический анализ, основанный на исторических данных потока и кривых использования электрической мощности, составила бы $20 тыс., и этот набор данных, скорее всего, был бы менее точен, чем полученные значения объемов воды и выявленные тенденции.

Отчетность по охране окружающей среды

Следственные действия и правоохранительные инициативы от агентства США по охране окружающей среды (U.S. Environmental Protection Agency, EPA) имеют тенденцию основываться на исторических данных высоких уровней. Такие проверки могут быть крайне сложными и весьма длительными. Чтобы координировать действия и выполнять запросы, которые направляются исследователями EPA, к работе могут привлекаться как сотрудники исследуемого объекта, так и дополнительный персонал. Компании, которые имеют в своем распоряжении точные исторические данные, могут сократить напряженность в отношениях между следственной группой и своим персоналом.

При таком подходе представителям ЕРА не будет казаться, что они что-то не увидели или от них что-то скрывают, пытаясь обмануть, а сотрудники компании смогут быстро и легко ответить на вопросы о выявленных аномалиях в рассматриваемых данных. Репозиторий хранения исторических данных с возможностью введения в него аннотаций (комментариев) содержит в большинстве своем заметки оператора, сделанные в процессе документирования данных в таких последовательно выполняемых по времени операциях, как калибровка оборудования и датчиков. Предоставление полных исторических данных с речевыми аннотациями поддерживает доверие между сторонами, так как в этом случае обе стороны могут получить и дать ответы быстро, имея легкий доступ к нужной информации. При этом доказательство соответствия также может быть проверено быстро, что, вероятно, поможет избежать штрафных санкций.

Анализ причин

Когда дорогой (ценой в $25 тыс.) насос перестал работать, оператор утверждал, что оборудование сломалось без каких-либо видимых причин. Однако исторические данные показали, что оператор, используя ручной режим, хотел временно снизить уровень резервуара ниже минимально допустимого. После чего оператор отвлекся, насос пересох и вышел из строя. Определив эту причину, руководство, чтобы не допустить повторения подобной аварии, потребовало для его повторного отключения (при работе в ручном режиме управления) добавить несколько дополнительных элементов в программное обеспечение системы управления насосом.

Пользователи трубопроводов позволяют персоналу Департамента транспорта США (U.S. Dept. of Transportation, DOT) иметь доступ к историческим данным, необходимым для проведения надлежащих проверок и анализа. Данные из нескольких насосных станций передаются в центральную станцию с помощью интернет-технологий.

Управление производственными активами

В отраслях индустрии, связанных с бурением и ректификацией (перегонкой) нефти, используется множество движущихся машин и механизмов. При наличии данных об их функционировании в режиме реального времени и отчетов по их работе менеджеры компании могут работать более эффективно и составлять более точные планы в части технического обслуживания оборудования. Автоматизированный сбор данных позволяет экономить кадровые ресурсы и определять, какое оборудование изнашивается раньше, где наиболее часто происходят поломки, или, в случае ошибок операторов, дает возможность выявлять слабые места, чтобы заранее планировать обслуживание и восстановление оборудования. Это помогает также заблаговременному выделению всех необходимых ресурсов. Совместно с историческими данными могут быть разработаны и другие приложения для интеллектуального анализа в самых различных областях. Это обеспечит экономию средств и более высокую эффективность работы оборудования и персонала.

Первый шаг к преобразованиям

Компании начинают видеть возможности для привлечения информации из репозитория предприятия и привязке определенной информации к другим системам без тиражирования основных данных. Ключевая задача интеграции таких разнородных данных — превращение их в полезную информацию, необходимую для анализа. Те, кто достиг этого (более интеллектуального) уровня бизнеса, осознают, что это и есть начало преобразования их деятельности.